полимеры с памятью формы

Создан новый полимер с памятью формы, сохраняющий свою гибкость

Полимеры с памятью формы давно притягивают внимание ученых благодаря своей удивительной возможности принимать различные формы и поддерживать их до тех пор, пока некое внешнее воздействие, например, повышение температуры, не вернет их в первоначальному виду. В то же время эти же самые свойства материала, которые помогают полимерам приобретать новую форму, имеют и негативный эффект – жесткость полимера, которая ограничивает его применение в биомедицинской отрасли. Используя простую технику, ученые решили эту проблему и создали новый мягкий эластомер с памятью формы путем объединения двух различных полимеров.

Рисунок 1. Для получения эластомера с памятью формы два расплавленных полимера формуют в “коврик” из волокон (рисунок слева), а затем сжимают до образования гладкой пленки, поперечное сечение которой изображено на рисунке справа.

Патрик Т. Мазер из Сиракьюзского университета США и его исследовательская группа создали материал с памятью формы, комбинируя полимеры с различными температурами плавления и стеклования. Принцип действия достаточно прост: в то время, как один полимер остается мягким и эластичным при данной температуре, другой кристаллизуется, обеспечивая достаточную жесткость композита для приобретения и поддержки новой формы. Подобрав нужное соотношение полимеров можно обеспечить сохранение формы композита без приобретения им излишней жесткости.

Для создания материала исследователи выбрали имеющийся в продаже термопластичный полиуретан, который остается мягким при комнатной температуре. Другой полимер, поли(ε-капролактон), поддерживает форму материала вплоть до температуры плавления полимера, равную 56°C. Методом струйного литья растворов двух полимеров на металлический цилиндр ученые сформовали композиционный волокнистый мат. Затем они прессовали и нагревали коврик до образования плотной пленки, придав ей форму собачьей кости. Далее объект нагревали до 80°С, скручивали и давали ему остыть скрученном виде. После повторного нагревания полимер раскрутился, приняв первоначальную форму (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Обратимость формы полимерного материала после нагревания.

По словам Мазера, использование различных комбинаций коммерчески доступных полимеров может дать целый ряд композитов с памятью формы с различными степенями жесткости или твердости и различными температурами перехода. Такие материалы являются достаточно гибкими, их можно использовать для изготовления индивидуальных медицинских зондов, катетеров, повторяющих форму, например, конкретного органа. Материалы также могут быть легко адаптированы к трехмерной печати, которая завоевывает все большую популярность для быстрого прототипирования многих объектов.

Источник

Создан полимер с эффектом памяти, меняющий форму при контакте с кожей человека

Материалы с эффектом памяти всегда производят на неподготовленного зрителя невероятный эффект. Такие материалы применяются в самых разных областях, начиная от холодильников и заканчивая спортивной одеждой. Команда учёных из Университета Рочестера разработала новый эластичный полимер, который способен сохранять принятую им форму при комнатной температуре, однако при воздействии тепла человеческого тела он возвращается к своему первоначальному облику.

Материалы с эффектом памяти, реагирующие на температуру, постепенно находят применение в области автомобилестроения и архитектуры. Но в случае с такими материалами, как правило, необходима очень высокая температура. Учёные из США долгое время работали над тем, чтобы понизить температурную точку начала преобразований внутри материала. И им это удалось. Получившийся в ходе разработок эластичный полимер достаточно прочен, хорошо тянется и принимает задаваемые ему формы, а при контакте с кожей человека (точка начала изменений находится на отметке 35 градусов Цельсия) он достаточно быстро возвращается к первоначальному виду.

При растягивании материала растягиваются и полимерные молекулярные цепочки, из которых он состоит. Это приводит к тому, что небольшие сегменты полимера кристаллизуются, стабилизируя его деформированную форму. Учёные выяснили, что добавление особых соединений в структуру полимера способно наделить его способностью возвращаться к первоначальной форме при заданной исследователями температуре. Так, путём некоторых косметических манипуляций со структурой материала, им удалось создать полимер, реагирующий на температуру тела человека.

Учёных заинтересовал тот факт, что в момент обратной деформации новый материал выделяет заметное количество энергии, которую можно направить в полезное русло, поэтому в опубликованном на YouTube видео они продемонстрировали, как их полимер способен поднимать грузы в 1000 раз более тяжёлые, чем он сам. В данный момент исследователи размышляют над тем, в какой из областей их полимер может найти применение. Среди озвученных версий упоминается искусственная кожа, а также одежда, которая автоматически подстраивается под форму тела человека.

Источник

Капли жидкости наделили полимер магнитным эффектом памяти формы

Paolo Testa et al. / Advanced Materials, 2019

Швейцарские ученые создали полимерный материал с включениями жидких капель, содержащими металлические частицы. Такое строение позволяет материалу проявлять аналог классического эффекта памяти формы — при деформации в магнитном поле материал сохраняет новую форму, а если поле исчезает, он быстро возвращает исходную. Кроме того, магнитное поле резко увеличивает прочностные характеристики материала. К примеру, его модуль сдвига возрастает в 30 раз, рассказывают авторы статьи в Advanced Materials.

Классический эффект памяти формы проявляется в сплавах, а также полимерах, и активно используется, к примеру, в медицине. Эффект заключается в том, что деформированный предмет после нагревания до определенной температуры самопроизвольно возвращает свою исходную форму, которую он имел до деформации. В сплавах этот эффект обусловлен наличием термоупругой мартенситной фазы, в которой при нагревании возникают внутренние напряжения, приводящие к возврату формы. Один из недостатков материалов с памятью формы заключается в том, что этот эффект в них, как правило, активируется нагреванием, что не всегда удобно, особенно, если температура перехода высока.

Ученые под руководством Лоры Хейдерман (Laura Heyderman) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали материал, обладающий похожим эффектом, но стимулом для его проявления выступает магнитное поле, а не повышенная температура. Большая часть материала состоит из мягкого полимера полидиметилсилоксана (PDMS). Перед затвердеванием полимера ученые добавили в него капли, состоящие из воды, глицерина и частиц карбонильного железа. После затвердевания полимер образовал пористую структуру с полостями размером порядка десятков микрометров, заполненными жидкостью с железными частицами.

Структура материала и упорядочивание частиц с магнитном поле

Paolo Testa et al. / Advanced Materials, 2019

Источник

Полимер с памятью формы

Двумя важными величинами, которые используются для описания эффектов памяти формы, являются скорость восстановления деформации ( R _r ) и скорость фиксации деформации ( R _f ). Скорость восстановления деформации описывает способность материала запоминать свою постоянную форму, в то время как скорость фиксации деформации описывает способность переключения сегментов для фиксации механической деформации.

Эффект памяти формы можно кратко описать следующей математической моделью: [7]

Память тройной формы

В то время как большинство традиционных полимеров с памятью формы могут сохранять только постоянную и временную форму, последние технологические достижения позволили внедрить материалы с тройной памятью формы. Подобно тому, как традиционный полимер с двойной памятью формы изменится от временной формы обратно к постоянной форме при определенной температуре, полимеры с тройной памятью формы будут переключаться с одной временной формы на другую при первой температуре перехода, а затем обратно к постоянная форма при другой, более высокой температуре активации. Обычно это достигается путем комбинирования двух полимеров с двойной памятью формы с разными температурами стеклования [8] или при нагревании полимера с запрограммированной памятью формы сначала выше температуры стеклования, а затем выше температуры плавления переходного сегмента. [9] [10]

Термодинамика эффекта памяти формы

При переходе от стеклообразного состояния к резиново-эластичному состоянию за счет термической активации вращения вокруг межсегментных связей становятся все более беспрепятственными. Это позволяет цепям принимать другие, возможно, энергетически эквивалентные конформации с небольшим количеством распутывания. В результате большинство SMP образуют компактные случайные спирали, потому что эта конформация энтропийно предпочтительнее вытянутой конформации. [1]

Полимеры в этом эластичном состоянии со среднечисленной молекулярной массой более 20000 растягиваются в направлении приложенной внешней силы. Если сила приложена в течение короткого времени, перепутывание полимерных цепей с их соседями предотвратит большое движение цепи, и образец восстановит свою первоначальную форму после снятия силы. Однако, если сила прилагается в течение более длительного периода времени, происходит процесс релаксации, в результате которого происходит пластическая необратимая деформация образца из-за проскальзывания и расцепления полимерных цепей. [1]

Чтобы предотвратить скольжение и растекание полимерных цепей, можно использовать как химическое, так и физическое сшивание.

Физически сшитые SMP

Линейные блок-сополимеры

Прочие термопластичные полимеры

Линейный аморфный полинорборнен (Norsorex, разработанный CdF Chemie / Nippon Zeon) или органо-неорганические гибридные полимеры, состоящие из звеньев полинорборнена, которые частично замещены полиэдрическим олигосилсесквиоксаном (POSS), также обладают эффектом памяти формы.

Другой пример, описанный в литературе, представляет собой сополимер, состоящий из полициклооктена (PCOE) и поли (5-норборнен-экзо, экзо-2,3-дикарбоновой ангидрида) (PNBEDCA), который был синтезирован посредством метатезисной полимеризации с раскрытием цикла (ROMP). Затем полученный сополимер P (COE-co-NBEDCA) легко модифицировали реакцией прививки звеньев NBEDCA полиэдрическими олигомерными силсесквиоксанами (POSS) с получением функционализированного сополимера P (COE-co-NBEDCA-g-POSS). Обладает эффектом памяти формы. [14]

Химически сшитые SMP

Сшитый полиуретан

Сшитые SMP на основе PEO

Термопласт с памятью формы

Промышленное применение

Одно из первых промышленных применений было в робототехнике, где пены с памятью формы (SM) использовались для обеспечения начального мягкого предварительного натяжения при захвате. [26] Эти пенопласты SM могут быть впоследствии отверждены путем охлаждения, создавая захват, адаптирующийся к форме. С этого времени материалы получили широкое распространение, например, в строительной промышленности (пена, которая расширяется с теплом для герметизации оконных рам), в спортивной одежде (шлемы, костюмы для дзюдо и карате) и в некоторых случаях с термохромными добавками для облегчения наблюдения за температурным профилем. [27] Полиуретановые SMP также применяются в качестве элемента автоматической заслонки двигателей. [28]

Применение в фотонике

Медицинские приложения

Возможные медицинские применения

Возможные промышленные применения

Осуществление лучшего контроля над переключением полимеров рассматривается как ключевой фактор для реализации новых технических концепций. Например, точная установка начальной температуры восстановления формы может использоваться для настройки температуры высвобождения информации, хранящейся в полимере с памятью формы. Это может открыть путь к мониторингу температурных злоупотреблений в пищевых продуктах или фармацевтических препаратах. [37]

Защита бренда и борьба с контрафактом

Полимеры с памятью формы могут служить технологической платформой для безопасного хранения и передачи информации. [39] Были созданы открытые этикетки для защиты от подделки, на которых отображается визуальный символ или код при воздействии определенных химических веществ. [40] Многофункциональные этикетки могут даже затруднить подделку. [41] [42] Полимеры с памятью формы уже были превращены в пленку с памятью формы с помощью экструдера, с скрытым и явным трехмерным тиснением внутри, и трехмерный узор будет выпущен для тиснения или исчезнет в считанные секунды безвозвратно, как только он появится. с подогревом; Пленку с памятью формы можно использовать в качестве подложки для этикеток или лицевого материала для защиты от подделок, защиты бренда, защитных пломб, защитных пломб и т. Д.

Источник

Самосборное оригами: материал с памятью формы на основе кератина

Как человеку с нестандартными габаритами (а-ля швабра с ушками), я прекрасно знаю, как порой сложно подобрать какой-либо элемент гардероба нужного размера. Видимо кто-то из ученых Гарвардского университета также сталкивался с подобной житейской проблемой, потому как в недавнем своем исследовании они описывают новый тип материала, обладающий памятью формы. Основой данного новшества является белок, который легко найти в волосах, ногтях и коже, — кератин. Как именно был использован любимец маркетологов производителей косметики, на какие метаморфозы способен новый материал, и какие варианты применения материала-метаморфа? Для получения ответов на эти опросы нырнем в доклад ученых. Поехали.

Основа исследования

На протяжении последних нескольких лет интерес к материалам, способным запоминать определенные формы, заданные во время производства, значительно возрос. Применяться такие материалы могут в медицине, строительной и аэрокосмической промышленностях и т.д. Однако, как заявляют сами ученые, степень интереса к такого рода разработкам нельзя приравнивать к степени имеющейся информации о них. Другими словами, у таких материалов пока еще много нераскрытых секретов.

Материалы-метаморфы чаще всего ассоциируют с синтетическими веществами, однако подобными свойствами обладают и природные структуры, что обусловлено структурной метастабильности вторичных структур белков. К примеру, известно, что кератиновые α-спирали, расположенные в виде спиральной катушки, претерпевают непрерывный структурный переход в метастабильные β-листы, когда нагрузка прилагается вдоль их продольной оси. В зависимости от вида α-кератина этот процесс может быть необратимым или обратимым, причем во втором случае он напоминает мартенситный* механизм памяти формы металлических сплавов.

Мартенситное превращение* — полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения атомов (или молекул) кристалла происходит путем их упорядоченного перемещения.

В биологических материалах (кожа животных, например) такой механизм преобразования обусловлен необходимостью в защите и физиологическом функционировании в ответ на внешний раздражитель.

В данном труде ученые старались реализовать обратимый переход кератина от α-спирали к β-листу. По их мнению именно этот процесс является основным механизмом создания высокотехнологичного наноструктурированного материала с памятью формы, который использует гидратацию в качестве спускового механизма и по своей природе является биосовместимым и биоразлагаемым.

Результаты исследования

Изображение №1

В волосах животных индуцированный деформацией переход от α-спирали к β-листу возможен из-за парной конфигурации α-спиралей в архитектуру спиральная катушка* (1а).

Спиральная катушка* (Coiled coil) — структурный мотив белков, когда от 2 до 7 альфа-спиралей переплетаются как пряди веревки.

Протофибриллы* — тончайшие белковые нити, которые составляют основную массу миофибрилл.

Миофибриллы* — сократимые нити в протоплазме поперечнополосатых мышечных волокон скелетной мускулатуры, сердечной мышцы и мышц с двойной косой исчерченностью.

В данном исследовании фибриллярный кератин был извлечен из ангорской шерсти с использованием бромида лития (LiBr) — соли, которая может вызвать обратимый фазовый переход кристаллического кератина в воде из твердого состояния в жидкое.

Другим требованием для высвобождения волокнистого кератина из структуры волос является разрушение плотной дисульфидной сети компонента матрицы волоса. Это было достигнуто с использованием 1.4-дитиотреитола (DTT, C₄H₁₀O₂S₂), который способен расщеплять дисульфидную связь с образованием двух сульфгидрильных фрагментов. Данная реакция обратима в условиях окисления, что позволяет восстановить природные дисульфидные мостики во время изготовления материала.

Затем кератин был успешно извлечен путем обработки шерсти водным раствором LiBr и DTT при высокой температуре (1b). При комнатной температуре кератин был окончательно изолирован посредством разделения жидкой фазы, что позволило создать высококонцентрированный раствор кератина, срок хранения которого составляет несколько недель в случае отсутствия кислорода.

Также были проведены Рамановская спектроскопия и круговой дихроизм, которые подтвердили наличие спиральных катушек α-спиралей. Доказательства иерархической структуры кератина вплоть до протофибриллярного уровня были подтверждены криогенной просвечивающей электронной микроскопией (крио-ПЭМ). Во время микроскопии было установлено, что длина узлов находится в пределах нескольких микрометров, а ширина около 10 нм (1с), что полностью соответствует структурным особенностям промежуточных волокон. Также удалось установить, что иерархическая структура промежуточных филаментов состоит из упакованных протофибрилл с постоянной шириной

Реализация иерархической архитектуры кератина, которая сможет обеспечить дальнее упорядочение исполнительных единиц α-спирали, требует наложения анизотропного выравнивания протофибрилл в процессе изготовления. Было обнаружено, что кератиновые протофибриллы самоорганизуются в нематическую кристаллическую фазу под действием напряжения сдвига и пространственных ограничений. Этот факт был установлен за счет наблюдения анизотропной природы рассеяния синхротронных рентгеновских лучей, которая была получена из образца раствора кератина (401.7 мг/мл), приготовленного в кварцевом капилляре (1d).

Во время анализа капилляр располагался перпендикулярно пучку рентгеновских лучей, а его продольная ось была параллельна меридиональной оси детектора. Экваториальный характер рассеяния предполагает, что кератиновые домены были преимущественно ориентированы параллельно оси капилляра (вставка на 1d). Среднее расстояние между кератиновыми доменами связано с параметром размера решетки (d), который получается из максимальной интенсивности модуля вектора рассеяния (q): d = 2π / q.

Ученые предполагают, что нематическая упорядоченность кератинового протофиламента* является результатом напряжения сдвига, которое создается на стенке капилляра во время подготовки образца, а также результатом дальнейшей стабилизации за счет ограниченного пространства.

Протофиламенты* — нитевидные белковые структуры, являющиеся строительными элементами микротрубочок (белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав каркаса клетки).

В таком случае ожидается, что повышенная жесткость и самосборка кератиновых протофибрилл приведет к более высокой степени упорядоченности нематической (нитевидной) фазы. Контроль над самоорганизацией кератиновой жидкокристаллической фазы был достигнут за счет стимулирования взаимодействий типа белок-белок посредством эффекта экранирования заряда. Ввиду наличия катионов лития, которые абсорбируются на поверхности белка, кератин будет иметь чистый положительный заряд. А фосфатный анион был использован, так как обладает высоким экранирующим эффектом по отношению к положительно заряженным поверхностям (1e).

Добавление дигидрофосфата натрия (NaH₂PO₄) вызывало уплотнение упаковки нематической фазы кератина, на что указывает сдвиг пика в сторону более высокого значения q (1f).

При добавлении космотропной* соли также наблюдалось сужение экваториальной картины рассеяния и, как следствие, обострение пика рассеяния, что указывает на усиление выравнивания кератинового домена вдоль оси капилляра (1g).

Космотропными* называют сорастворители, если они способствуют стабильности и структуре взаимодействий вода-вода. Космотропы вызывают усиление взаимодействия молекул воды, что также стабилизирует внутримолекулярные взаимодействия в макромолекулах, таких как белки.

Псевдопластичность* — возникает, когда вязкость жидкости уменьшается при увеличении напряжения сдвига.

При концентрации NaH₂PO₄ в 40 мМ и концентрации протофиламентов 401.7 мг/мл кератиновый допант демонстрирует вязкоупругие свойства. Это хорошая новость для исследователей, поскольку волокна можно формировать напрямую, просто вытягивая белок пинцетом (1i). Если же снизить концентрацию NaH₂PO₄, то раствор кератина теряет вязкоупругие свойства и не может образовывать волокна непосредственно из раствора.

Как отмечают ученые, выравнивание кератиновых α-спиралей вдоль оси волокна является критерием проектирования, обеспечивающим высокую прочность и высокую степень фиксации волокон. Когда оси α-спирали параллельны вектору натяжения, может быть получено максимальное раскручивание α-спиралей, что позволяет увеличить деформацию материала до разрушения из-за пластической деформации и реорганизации.

Изображение №2

Водный раствор NaH₂PO₄ был использован в качестве антирастворителя, что позволило достичь внешней диффузии LiBr из экструдированного кератинового допанта и дальнейшей самосборки белка за счет эффекта экранирования заряда (2а). Восстановление дисульфидной ковалентной сети стало возможным благодаря окислительной активности пероксида водорода (H₂O₂) в отношении тиоловой группы цистеина. Высокая концентрация белка в прядильном растворе придает волокну прочность во время процесса коагуляции, что обеспечивает гибкий и надежный процесс прядения.

В результате можно получить длинные и прочные волокна (2b), а высокая скорость производства позволяет достичь волокон диаметром 10 мкм.

Нематическая фазовая организация кератиновых протофибрилл приводит к процессу фибрилляции, который генерирует иерархически структурированные и анизотропные волокна. Растровый электронный микроскоп показал, что одно волокно состоит из непрерывных фибрилл, длина которых составляет не менее нескольких десятков микрометров (2b). Также было замечено, что фибриллы диаметром 50 нм являются сердцевиной полученного волокна (2d).

Поляризационная оптическая микроскопия подтвердила анизотропный характер сердцевины волокна, что было установлено наблюдением двойного лучепреломления с максимальной интенсивностью проходящего света под углом 45° (2e).

То, что структура спиральной катушки имеет анизотропную архитектуру, было установлено с помощью широкоугольного рентгеновского рассеяния (WAXS от wide-angle X-ray scattering). Двумерный профиль рассеяния показывает характерное экваториальное отражение при 9.65 Å, что соответствует расстоянию между осями соседних α-спиралей (2g). Одномерный анализ вдоль оси меридиана показывает наличие характерных меридиональных (при 5.15 Å) и внемеридиональных (5.05 Å) отражений, которые соответствуют проекции шага α-спирали (2h).

Также было установлено, что максимум смещен в сторону более высоких значений q, т.е. имеются развернутые пептидные цепи, ориентированные параллельно оси волокна и, вероятно, образующие конформацию β-слоя (2i).

Изображение №3

На следующем этапе исследования было проведено изучение волокон с памятью формы, которые реагируют на гидратацию.

Эффект памяти формы сконструированных кератиновых волокон основан на обратимом разматывании α-спирали и на формировании метастабильных β-листов при одноосной деформации (3a).

Испытания на растяжение, проведенные на индивидуальных кератиновых волокнах, подтвердили наличие этого механизма. Было установлено начальное упругое состояние до

5% деформации (модуль Юнга = 4.18 ± 0.10 ГПа). Далее следует область, которая характеризуется постоянным пределом текучести (96.1 ± 3.1 МПа) (3b). Эта реакция соответствует процессу развертывания α-спирали.

По мере дальнейшего увеличения напряжения развернутые и удлиненные пептидные цепи кератина стабилизируются в своей вытянутой геометрии путем сборки в β-слои (3c). Эта область формирования β-листа характеризуется деформационным упрочнением при деформации

50%, так как приложенная нагрузка не только рассеивается за счет разрушения свернутых в спираль катушек, но также переносится растяжением β-листов. Когда нагрузка снимается при стопроцентной деформации (предел прочности на разрыв 137,18 ± 1,03 МПа), волокно демонстрирует пластическую деформацию (

85%), которая согласуется с преобразованием кератиновых развернутых цепей в новые метастабильные β-листы. Механические свойства полученных кератиновых волокон полностью соответствуют таковым у натуральной шерсти.

Важно отметить, что в ненапряженных волокнах также присутствует незначительная доля β-листов (3d), однако при стопроцентной деформации наблюдается значительное увеличение компонента β-листов. Проведенный WAXS анализ подтвердил наличие перехода от α-спирали к β-слою, индуцированного деформацией (3e).

В растянутом волокне β-листы кинетически стабильны из-за наличия сети водородных связей, которая препятствует их обратному превращению в более термодинамически стабильные α-спирали. Именно это свойство позволяет создать систему с циклом памяти формы, в котором сеть водородных связей выполняет роль блокирующего механизма для обеспечения фиксации деформированной формы.

В ходе опытов роль стимула, способствующего деформации волокна и восстановлению исходной формы, сыграла вода (3f). Методика была протестирована на пучке кератиновых волокон одинакового диаметра (3g и видео ниже).

Демонстрация памяти формы на примере отдельных волокон.

Сначала пучок волокон гидратировали в деионизированной воде в течение нескольких секунд (состояние A), потом растягивали вручную на воздухе, пока еще во влажном состоянии (состояние B), а затем выдерживали под нагрузкой при комнатной температуре в течение 10 минут, чтобы дать волокнам высохнуть (состояние C).

После удаления грузиков, что позволило волокнам перейти в расслабленное состояние, не наблюдалось видимого или заметного изменения длины между растянутой и расслабленной формами (состояние D).

Если же к полученным волокнам вновь применить воду (посредством распыления), то наблюдается сокращение волокон до их исходной длины в течение нескольких секунд (состояние A’).

Использование воды в происходящих метаморфозах значительно облегчает процесс перестройки структуры белка. На это указывает общее снижение растягивающего напряжения (3h) и более постепенный переход между состояниями волокон.

Когда волокно высыхает под нагрузкой, на образование β-листов указывает резкое увеличение напряжения, соответствующее усилению жесткости волокон, которое можно измерить с течением времени по мере обезвоживания волокон и образования водородных связей (3i).

Полученный материал за счет дальнего упорядочения своей фибриллярной структуры в сухом состоянии демонстрирует предел прочности на разрыв (137.18 ± 1.03 МПа) и модуль Юнга (4.18 ± 0.10 ГПа), что значительно лучше, чем у ранее разработанных прототипов. При гидратации прочность на разрыв составляет 14.94 ± 0.46 МПа, что также значительно превосходит другие разработанные материалы.

Помимо свойств и характеристик у разработанного материала есть еще одно превосходство над конкурентами — возможность его применения в 3D-печати.

Изображение №4

Базовые геометрические формы могут быть получены путем экструзии белкового допанта в гидрогель, который служит как поддерживающая и коагуляционная ванна (4а). Свойства кератина позволяют использовать иглы малого размера, что позволяет создавать структуры в масштабе примерно 50 мкм (4b).

Выравнивание протофибрилл кератина следует по пути экструзии при 3D-печати и, следовательно, приводит к высокоупорядоченным архитектурам, которые характеризуются внутренней структурной иерархией от молекулярного до макроскопического уровня (4c).

После того как желаемый образец был напечатан на 3D-принтере, необходимо достичь фиксации постоянной формы. Для этого необходимо образование дисульфидных мостиков за счет окисления, вызванного H₂O₂. До процесса окисления образцами все же можно манипулировать, меняя их форму, ввиду пластичности.

Например, во время тестов из напечатанного листа была вручную изготовлена звезда (оригами), которая в дальнейшем прошла этап фиксации формы посредством окисления в H₂O₂ и NaH₂PO₄ (4d). Следовательно, нет необходимости сразу печатать нужную форму, ее можно сделать после печати и перед этапом фиксации (4e).

Демонстрация памяти формы на примере напечатанного образца.

Как и волокна, протестированные ранее, напечатанные фигурки обладают теми же чувствительными к влаге свойствами памяти формы. По словам ученых, архитектура оригами в форме звезды была выбрана для демонстрации эффективности механизма памяти формы при выполнении довольно сложных геометрических преобразований.

При гидратации напечатанная на 3D-принтере модель оригами податлива и может быть развернута и произвольно преобразована, например, в свернутую трубку (слева на 4f). По мере высыхания квадратный лист теряет пластичность и фиксируется в своей новой временной форме. Восстановление звездообразной архитектуры оригами затем запускается регидратацией, которая происходит в течение нескольких секунд из-за высокого отношения поверхности к объему, вызывающего быстрое воздействие воды на кератин (справа на 4f). Другими словами, напечатанный лист сначала разворачивается до своей предыдущей конфигурации, а затем самостоятельно складывается в форму звезды.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые продемонстрировали новый тип материала, обладающего памятью формы, активизирующейся посредством контакта с водой. Основой процесса самопроизвольного преобразования одной заданной формы в другую является переход α-спиралей кератина в β-листы.

Полученный материал возможно использовать в 3D-печати, при этом можно изначально задавать нужную форму или сделать это после печати обычного листа. Изменение формы после печати возможно за счет пластичности полученного образца, форма которого может быть зафиксирована уже на этапе окисления. Подобный двухэтапный процесс позволяет создавать крайне сложные формы с настраиваемыми структурными особенностями вплоть до микронного уровня.

Авторы сего исследования говорят, что спектр применения их разработки достаточно велик. Материалы с памятью формы могут быль использованы как в легкой промышленности (например, футболка, которая меняет размер по вашему желанию), так и в медицине (активирующие ткани).

Результаты экспериментов достаточно хороши, однако ученые намерены и дальше проводить опыты, ибо материалы, архитектура которых может меняться в зависимости от внешнего воздействия и по желанию человека, являются весьма любопытным объектом для изучения.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂

Немного рекламы

Источник